Institut für Digitale Materialforschung

Gegenüber anderen Themen gewinnt das Tätigkeitsfeld „Schutz der Ressource Wasser“ aufgrund der Herausforderungen des Klimawandels zunehmend an Potenzial und bietet Firmen Herausforderungen und Marktchancen im Umwelttechnikbereich.
Viele Untersuchungen verdeutlichen die Notwendigkeit, Wasser auf allen Ebenen der Nutzung aufzureinigen und wiederzuverwenden. Heterogen aufgebaute Grundwasserleiter sind weit verbreitet und stellen im Falle einer Kontamination besondere Anforderungen an Sanierungsmaßnahmen.
Die dort in kleinräumigen mikro- bis nanoskaligen Porenstrukturen fixierten Schadstoffe können durch konventionelle Technologien nur in sehr langen Zeiträumen entfernt werden. Durch den Einsatz von Grundwasserzirkulationsbrunnen (GCW), die eine ausgeprägte vertikale Strömung im Untergrund erzeugen, lässt sich die Mobilisierung von Schadstoffen im Untergrund erheblich verbessern.
Die prinzipielle Funktionsweise eines GCW und der Aufbau sind in der folgenden Abbildung zu sehen.

Von der Entwicklung auf dem Markt bis zu umweltschonenden und energiearmen Sanierungssystemen rückte die Kombination von GCW mit In-situ-Bioreaktoren in den Fokus, die einen innovativen Ansatz für die In-situ-Grundwassersanierung darstellt. Ein Bioreaktor kann selektierte inokulierte Mikroorganismen, Adsorbentien, Aufwuchsmaterialien oder freisetzbare Nährstoffe enthalten. Eine Integration in den Grundwasserzirkulationsprozess optimiert das bisher in der Praxis eingesetzte biologische Sanierungsverfahren. Durch eine spezielle Konstruktion der Reaktoren können Trägermaterialien konditioniert, reaktiviert oder komplett ausgetauscht werden. Eine Loop-Funktion erlaubt einen sekundären Kreislauf, der der Zirkulation im umgebenden Aquifer überlagert ist. Diesem können Reagenzien in fester oder flüssiger Form zugegeben werden, ohne dass eine nennenswerte Verfrachtung in den Grundwasserleiter erfolgt.
Der direkte Betrieb solcher Reaktoren, unter den natürlichen Bedingungen des Grundwasserleiters, lässt auch eine Ablösung und Verfrachtung von Mikroorganismen oder anderen kolloidalen Partikeln, z. B. im Pulsbetrieb, erwarten, desgleichen auch den Übergang von katabolischen Endprodukten oder Enzymen in den umgebenden porösen Raum, wodurch dieser zu einem größerskaligen Reaktionsraum erweitert wird.
Die folgende Abbildung zeigt Granulatkörner mit poröser Beschichtung, die von einer flüssigen Substanz umströmt werden. Die Bereiche zwischen den Körnern bilden das Innenleben der globalen Porosität ab. Die Beschichtung der Körper stellt eine viel feinere lokale Porosität dar.

Eine Integration dieser Bioreaktoren in den GCW verspricht eine weitere Verbesserung des Schadstoffabbaus, da hiermit die „Behandlungszone“ thermisch, über Filtrationselemente, mit dem Grundwasserleiter verknüpft werden kann.
Dieses Verfahren stellt einen vielversprechenden Ansatz dar. Eine wesentliche Bedingung für einen erfolgreichen Einsatz ist jedoch eine effiziente Abbau- bzw. Adsorptionsrate des mobilisierten Schadstoffs in einem In-situ-Bioreaktor.
Ein Bioreaktor setzt sich in der Regel aus einem porösen Filtergewebe, den dazugehörigen Anschlussleitungen und dem eigentlichen Reaktorkern zusammen. Er kann aus einer Schüttung aus Adsorbentien (z. B. beschichtete Trägerkörper oder Vollmaterial aus Aktivkohle) bestehen.
Bei den auf GCW basierenden Sanierungsmethoden ist die Vorhersage der Abbaurate während der Durchströmung solcher Bioreaktoren eine entscheidende Voraussetzung, denn bei einer Modellbildung müssen mehrfach überlagerte physikalische Effekte, wie z. B. eine unterschiedliche Beströmungsgeschwindigkeit, eine durch Pulsung hervorgerufene Variation der Schüttung etc., berücksichtigt werden.